聚丙烯腈（PAN）基碳纤维具有高强度、低密度、耐腐蚀等优点,在航空航天、汽车能源等领域中得到广泛的应用。碳纤维的生产过程主要包括PAN原丝的制备、预氧化和碳化。其中,预氧化过程是碳纤维生产过程中至关重要的一步。在预氧化过程中,纤维的化学结构和微观结构都发生了变化,而且纤维结构会通过后续碳化过程遗传到碳纤维中。因此,研究PAN原丝在预氧化过程中结构和性能的变化对提高碳纤维质量具有重要意义。本文通过实验室干喷湿纺工艺制备PAN原丝,利用梯度升温预氧化的方法制备六个温区的预氧化纤维。采用超薄切片技术和溶液刻蚀的方法处理纤维样品,利用扫描电子显微镜（SEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对预氧化纤维的微观结构进行分析,采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）和热重分析仪（TG）分别对其化学结构、晶体结构和热性能进行表征。纳米红外光谱系统-原子力显微镜（NanoIR2-FS）可以同时获得纤维同一区域的化学结构和微观结构,通过NanoIR2-FS探讨两者之间的关系,为研究预氧化纤维的化学结构转变与微观结构变化规律提供了一个新的研究方法。预氧化过程中最主要的工艺参数是温度和时间,对预氧化纤维质量有重要影响。采用两种不同的工艺制备预氧化纤维:一种是常规预氧化（S1）,采用传统的加热温度和时间,预氧化温度为220-255℃;另一种是高效预氧化（S2）,提高预氧化温度,降低预氧化时间,预氧化温度为250-285℃。本文研究了两种不同预氧化纤维的结构和性能。结果表明,随着预氧化的进行,化学反应生成的生色基团使得预氧化纤维颜色逐渐变深。预氧化过程中纤维发生了环化、氧化和脱氢反应,线型大分子链转变为梯形结构,S2纤维的环化程度和环化效率均高于S1,环化反应更剧烈。随着温度升高,预氧化纤维的结晶度降低,晶体结构发生明显变化,形成了新的序态结构,S2纤维在第三至第四温区结晶度急剧下降,与这一阶段形成大量环状结构有关。预氧化过程中的芳构化指数（AI）逐渐增加,预氧化纤维环化程度提高。经过预氧化后,PAN线型分子链转变为交联的梯形结构,纤维的热稳定性得到明显提高。另外,S2纤维的起始失重温度比S1更高,说明S2热稳定性更好。在预氧化过程中,纤维的拉伸强度降低,断裂伸长率提高,通过对比发现,S2纤维比S1纤维的力学性能更优异。通过对预氧化纤维表面形貌、断面形貌和内部形貌表征,研究预氧化过程中纤维微观结构的转变。预氧化纤维的表面光滑,直径约为8μm,内部呈现微原纤结构,随着预氧化的进行变的更致密。采用二甲基亚砜（DMSO）溶液对预氧化纤维进行超声刻蚀处理,纤维发生溶胀,表面出现褶皱,预氧化后期,纤维耐腐蚀能力明显提高,DMSO溶剂难以扩散进入纤维内部。纤维脆断后的横断面形貌表明,纤维内部呈现微原纤结构,随着温度升高纤维的断裂形态由韧性断裂向脆性断裂转变,横断面逐渐平整。预氧化纤维内部有沿纤维轴向的原纤结构和垂直于纤维轴向的片层结构。预氧化纤维皮芯结构差异在预氧化前期逐渐增加,在预氧化后期逐渐减小。DMSO溶液刻蚀处理后的超薄切片,非晶组织被溶解,分离出原纤结构,纵向微原纤之间由横向微原纤和非晶组织连接,微原纤内部由有序的片层结构和无序区域堆叠形成。预氧化过程中PAN线型分子链转化为梯形结构,预氧化纤维的耐腐蚀能力提高,DMSO溶液可以溶解的区域逐渐减少。通过研究预氧化纤维皮层和芯部的化学结构和微观结构,探讨预氧化过程中化学结构转变对微观结构的影响。随着环化程度和氧化程度的增加,预氧化纤维的断裂形态由韧性断裂转变为脆性断裂,化学结构转变会引起断裂形貌的变化。结合NanoIR2-FS和超薄切片技术研究了预氧化纤维皮层和芯部的化学结构与微观结构的演变关系。环化交联程度越高,纤维的微观结构越致密。发现其微观结构变化与化学结构转变规律一致,预氧化前期皮层和芯部的化学结构和微观结构差异都增大,在预氧化后期逐渐减小。通过研究分析,提出了预氧化纤维微观结构的转变模型。预氧化纤维表面光滑,内部由原纤组成,原纤由不同尺寸的微原纤聚集形成,包括横向微原纤和纵向微原纤,纵向微原纤之间通过横向微原纤和非晶区域连接。微原纤由片层沿纤维轴向堆叠而成,片层中有序的晶体层和无序区域交替排列。在预氧化前期,少量PAN线型分子链向环状结构转变,片层内部开始有环状结构生成。预氧化后期,环状结构交联成有序排列的梯形结构,原纤之间的连接得到增强,纤维结构变的更加致密稳定。